Искусственная радиоактивность

 

Э.Резерфорд (1919) сообщил, что путем бомбардировки атомов азота частицами добился превращения их в ядра атомов кислорода, т.е. превращения одного химического элемента в другой.

В 1934г. Ирен и Фредерик Жолио Кюри обнаружили, что после бомбардировки альфа-лучами атомных ядер некоторых нерадиоактивных изотопов химических элементов оли начали испускать проникающие лучи, т.е. становятся радиоактивными. Пер­вый генератор нейтронов, так называемый ускоритель тяжелых зараженных частиц циклотрон, был сконструирован 1930-1936 гг. Лоуренсом. В эти же годы Энрико Ферми со своими сотрудни­ками показал возможность вызывать искусственную радиоактив­ность почта всех химических элементов путем воздействия нейтронов. В 1934 г. супруги Жолио Кюри впервые получили влаборатории искусственные радиоактивные изотопы. В 1939 г. Ган и Штрасман в Германии обнаружили деление урана после бомбардировки его нейтронами, а в 1942 г. под руководством Ферми в Чикаго был построен первый атомный реактор. Этот успех расширил возможности получения радиоактивных изотопов.

Искусственная радиоактивность - распад вещества под воздействием энергии извне с образованием потоков электронов, нейтронов, протонов, тяжелых частиц с выделением огромной энергии.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, представляющих собой элементарные частицы не имеющие электрического заряда. В клинически практике находят применение быстрые нейтроны с энергией от 20 кэв до 200 Мэв. Основными источниками нейтронов, используемых с лечебной целью, являются ускорители и атомные реакторы.

Протонное излучение - это поток элементарных частиц, несущий положительный заряд. Преимущество протонного излучения заключается в том что в конце пробега в тканях они образуют максимум ионизации, именуемых пиком Брегга-Грея. При этом доза в пике превосходит таковую в окружающих тканях в 2,5-3,5 раза.

Пи-мезанное излучение - поток элементарных частиц, имеющих промежуточную массу между электроном и протоном. Пи-мезоны могут быть положительно заряженными частицами, отрицательно и нейтральные. Заряд положительных и отрицательных пи-мезонов равен заряду электрона, а масса составляет 273 массы электрона. Как и у протона плотность ионизации у пи-мезонов растет к концу пробега. Однако в отличие от протонов, отрицательные пи-мезоны захватываются ядрами атомов кислорода, углерода, азота, водорода, а затем расщепляются с высвобождением громадного количества энергии, образуя при этом максимум ионизации. При этом соотношение дозы в пике к дозе окружающих тканей достигает 10:1. Основным источником пи-мезонов являются ядерные реакторы.

Тормозное излучение высокой энергии (выше 1 Мэв) является электромагнитным колебанием, ионизирующее излучение, возникающее при изменении кинетической энергии заряженных частиц с непрерывным спектром.

Генерируется оно в ускорителях /линейный ускоритель или бетатрон/. Основным свойством их является способность проникать в плотные среды и вызывать процессы ионизации. Процесс ионизации лежит в основе биологического действия, относительная биологическая эффективность определяется плотностью ионизации в тканях.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

После открытия нейтрона в 1932 г., а затем искусствен­ной радиоактивности в 1934 г. ученые увлеклись «совре­менной алхимией», т. е. созданием новых радиоактивных элементов под воздействием нейтронов.

Молодой еще в то время Ферми, стремясь получить новый неизвестный миру 93-й элемент, попытался облу­чить нейтронами уран—92-й элемент таблицы Менде­леева. Однако в результате захвата нейтронов ядрами урана образовался не один искусственно радиоактивный элемент, а по крайней мере целый десяток.

Природа задала человеку новую задачу. Можно считать, что с этого момента начался новый этап в развитии ядер­ной физики — возможность использования энергии, таив­шейся в недрах атома, стала реальностью.

Объяснение новому явлению дали Фредерик Жолио-Кюри и Лизе Мейтнер. Они показали, что в процессе облу­чения урана нейтронами происходит новый тип ядерной реакции — деление ядра урана на две примерно равные части (осколки). Энергия, выделяемая при этой реакции, составляет около 200 Мэв, т. е. в десятки раз больше, чем при обычных известных в то время ядерных реакциях.

Теория деления урана была разработана одновременно и независимо друг от друга советским ученым Френкелем и датским ученым Бором.

Особенность реакции деления урана состоит в том, что при каждом акте деления, помимо двух осколков, образу­ются два-три нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер. При каждом из этих процессов освобождаются новые нейтроны, которые в свою очередь вызывают деление последующих ядер (рис). Таким образом один нейтрон может положить начало целой цепочке делений, при этом количество ядер, подвергшихся делению, лавинообразно нарастает, т. е. реакция деления урана развивается как цепная реакция. Например, доли секунды достаточно для того, чтобы разделились все ядра, содержащиеся в 1 кг урана (примерно 3 • 10²⁴ ядер). Энергия, выделяющаяся при этом, равна энергии, освобождаемой при взрыве 20 000 т тротила или при сжигании 2,5 тыс. т каменного угля.

При делении ядер урана примерно 83% энергии преоб­разуется в кинетическую энергию осколков; 3% связано с энергией g-квантов, которые образуются мгновенно при делении, и 3% уносится образующимися при делении нейт­ронами. Остальные 11% энергии выделяются постепенно в виде энергии (b-частиц и g-квантов в процессе радиоактив­ного распада ядер изотопов (осколков), образующихся при делении.

Рис. Цепная реакция деления урана.

На пути практического использования цепной реакции деления урана важное значение имело открытие советских физиков Г. Н. Флёрова и К- А. Петржака, которые в 1940 г. показали, что существует новый вид радиоактивности — самопроизвольное (спонтанное) деление ядер изотопа U²³⁵ с периодом полураспада Т— ~10¹⁷ лет. Таким образом для использования цепной реакции деления не нужны сто­ронние нейтроны: они образуются в уране вследствие спон­танного деления.

Цепная реакция деления может осуществляться под действием как быстрых, так и медленных нейтронов только при бомбардировке ядер изотопа U²³⁵. Природный уран представляет собой в основном смесь изотопов U²³⁸ и U²³⁸, причем содержание U²³⁵ составляет всего 0,7%. Ос­тальное — это изотоп U²³⁸. Поэтому для осуществления на практике цепной реакции необходимо разделить эти изото­пы, что является задачей хотя и разрешимой, но весьма сложной. Это связано с тем, что U²³⁸ может делиться толь­ко под действием нейтронов с энергией большей, чем энер­гия нейтронов, образующихся при делении U²³⁵. Таким образом, нейтроны, образующие при делении U²³⁶ с энергией порядка 1 Мэв, в основном рассеиваются ядрами U²³⁸, кото­рых значительно больше; энергия нейтронов постепенно убы­вает до тех пор, пока они не достигнут энергий, соответст­вующих так называемой резонансной области (примерно 1— 10 эв). В этой области энергий резко возрастает вероятность захвата нейтронов ядрами U²³⁸ по сравнению с U²³⁵. Начавшаяся в природном уране цепная реакция деления быстро затухает, поскольку нейтроны в основном захваты­ваются ядрами U²³⁸, не успев вызвать дальнейшего деле­ния ядер U²³⁵.,

При захвате нейтронов ядрами U²³⁸ образуется изотоп U²³⁹, который в процессе b-распада превращается в новый 93-й элемент Np²³⁹. Период полураспада U²³⁹ равен 23 мин.

Изотоп Np²³⁹ также является неустойчивым; в процессе b-распада (Т = 2, 3 дня) он превращается в элемент с атом­ным номером 94, названный плутонием:

Плутоний также радиоактивен: в процессе a-распада он превращается в изотоп U ²³⁵₉₂. Период полураспада плу­тония равен 24 000 лет.

Плутоний интересен в том отношении, что в нем под действием нейтронов, так же как и в U²³⁵, может происхо­дить цепная реакция деления. Таким образом, плутоний, наряду с U²³⁵, является ядерным горючим, которое слу­жит для получения атомной энергии.

Ядра урана или плутония, захватив нейтроны, могут разделиться различными способами (до 30—40). Массовые числа образующихся продуктов деления имеют значения от 72 до 158. Например, при делении образуются изотопы стронция, бария, лантана, цезия, иода, циркония, ниобия, аргона, ксенона и других элементов. Наиболее вероятно деление ядра на осколки с массовыми числами 95 и 139.

Большинство образующихся продуктов деления явля­ются нестабильными и в результате одного, а иногда и трех последовательных р -распадов превращаются в стабиль­ный изотоп. У некоторых продуктов деления этот распад сопровождается g-излучением. Периоды полураспада раз­личных продуктов деления изменяются в очень широких пределах: от долей секунды до многих тысяч лет.

РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

 

В учреждениях, где проводятся работы с радиоактивными вещест­вами или источниками ионизирующих излучений, должен осуществлять­ся радиационный дозиметрический контроль. В зависимости от объема и характера работ контроль проводится либо штатной службой радиа­ционной безопасности(в каждой смене), либо специально выделенным лицом.

Радиационный контроль должен быть организован так, чтобы в по­мещениях, где ведутся работы на стационарных установках с источниками с керма-эквивалентом более 2000 нГр*м/с (1 г-экв. Ra) на ускорителях заряженных частиц, с нейтронными источниками с выходом более 10⁹ нейтр./с, с делящимися материалами, а также на ядерных реакторах и критических сборках, были установлены дозиметрические приборы с автоматическими звуковыми и световыми сигнализирующими устройствами. При необходимости предусматривается сигнализация трех уровней: нормального, предварительного, аварийного.

При проведении оперативного дозиметрического контроля, согласно НРБ—76/87, следует руководствоваться допустимыми и контрольными уровнями. Объем контроля устанавливается в зависимости от до­зы b-, g-, n- и других излучений; содержанием газов и аэрозолей в воз­духе и радионуклидов в твердых и жидких отходах; выбросом радио­нуклидов в атмосферу; уровнем загрязнения радионуклидами поверхностей, кожных покровов и одежды, объектов внешней среды, транс­портных средств; индивидуальной дозой внешнего и внутреннего облу­чения. Результаты всех видов радиационного контроля должны храниться в течение 50 лет.

Персонал, работающий с делящимися веществами, на ядерных реакторах и критических сборках, а также в условиях непредвиденного аварийного облучения, должен быть обеспечен индивидуальными аварийными дозиметрами.

Персонал, для которого условия труда таковы, что доза не может превышать 1/3 ППД, не обязательно обеспечивать индивидуальными дозиметрами, позволяющими контролировать квартальную, годовую и дневную дозы внешнего облучения. Для этой группы осуществляется контроль мощности дозы внешнего излучения и объемной активности радионуклидов в воздухе рабочей зоны. Оценка облучения проводится по этим данным.